Demande d`investissement pour une salle de mesure d`antennes

Demande d’investissement pour
une salle de mesure d’antennes
Table Des Matières
1 -Responsables Projet .............................................................................. 3
• Enseignants Spécialistes Mesures hyperfréquences- IUT Ville d’Avray..........3
• Conseillers et Experts Scientifiques:................................................................3
2 -L'objectif de ce projet :.......................................................................... 4
•
•
•
•
Un objectif de Mesures d’antennes :................................................................4
Présentation de l’offre de formation :...............................................................5
Évolution de l’enseignement des radiocommunications dans les formations. . 6
Taux d’utilisation prévisible de la chambre anéchoïde :...................................6
3 -Les contraintes et choix techniques ......................................................8
•
•
•
•
L'antenne source............................................................................................... 8
Le positionneur (support orientable d'antenne réceptrice)..............................12
Les absorbants................................................................................................ 13
Les dimensions de la chambre de mesure ......................................................15
4 -Le coût financier..................................................................................16
5 -Conclusion............................................................................................. 16
6 -Annexes : ............................................................................................... 17
• Annexe 1 : calcul d'un cornet à 2,4 GHz et répartition du champ émis..........17
• Annexe 2 : Plate-forme technologique...........................................................18
• Annexe 3 : références bibliographiques.........................................................19
7 -propositions de prix .............................................................................19
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Responsables Projet
Enseignants Spécialistes Mesures hyperfréquences- IUT Ville d’Avray
Franck Daout : e-mail : Franck.daout @u-paris10.fr
Patricia Grassin : e-mail : patricia.grassin @u-paris10.fr
Sylvie Jacquet : e-mail : sylvie.jacquet @u-paris10.fr
Conseillers et Experts Scientifiques:
Dominique Picard : e-mail : [email protected] (Professeur et responsable Bases antennes à l’Ecole Supérieure d' Electricité- Gif sur Yvette)
Francis Monnier : e-mail : [email protected] (Ingénieur CELAR Moyens
de mesures d’antennes)
Jean Claude Hénaux : e-mail : [email protected] (Professeur des Universités retraité, Paris 10, ex. enseignant en Mesures Hyperfréquences)
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L'objectif de ce projet :
Un objectif de Mesures d’antennes :
Plusieurs modèles d'antennes dans la bande de fréquences « WiFi » ont
été réalisées à l'I.U.T. (patches, antennes spirales, monopôles à réflecteur dièdres, yagis) une bonne partie a été caractérisée en diagramme de rayonnement
grâce à l'accueil d'un collègue de l'École Supérieure d'Électricité (Dominique
Picard) dans l'une de ses chambres de mesure, et l'ensemble a été caractérisé en
réflexion (adaptation) à l'I.U.T., sur analyseur de réseaux. Ces antennes ainsi
que plusieurs autres modèles (antennes à fente, réseaux de patches, cornets, paraboles ...) pourraient maintenant faire l'objet de TP d'étudiants, si une installation convenable était disponible à l'I.U.T..
une gamme de fréquences « économique »
La gamme de fréquences de 2 à 10 GHz offre des possibilités de réalisation de petits systèmes de communication combinant numérique et hyperfréquences pour des coûts modérés, (autour de 2.4 et 5.6 GHz à partir de modules
« WiFi » du commerce), et de petites réalisations en radar avec les guides et
éléments déjà disponibles, vers 10GHz).
En acceptant de ne pas faire de mesure au dessous de 2GHz, le prix de revient de l'équipement reste acceptable, mais il n'est pas réaliste d'espérer y faire
des mesures d'interférences électromagnétiques au sens industriel (qui demandent des mesures sur une bande élargie aux basses fréquences, plus coûteuses en absorbants, et une « mise en cage de Faraday » de la chambre pour
protéger le reste de l'établissement des fortes puissances mises en jeu).
Un projet orienté « pédagogie »
Le projet a donc principalement un but pédagogique, car la bande de fréquences utlisables de 2 à 10 GHz est relativement étroite, les puissances mises
en jeu seront modérées (moins de 100mW) et la dimension des antennes à tester
limitée à environ 60cm. Dans ce cadre, il n'y a cependant pas d'obstacle technique à des utilisations ponctuelles pour des besoins de recherche ou de mise au
point en direction des P.M.E., par exemple.
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Présentation de l’offre de formation :
Depuis sa création en 1967, le Département GEII de l’IUT, au sein du
Pôle Scientifique et Technologique de Ville d’Avray, a développé l’enseignement des hyperfréquences dans le cadre des 20% d’adaptation par rapport au
programme national. Construisant au fil des ans une plate-forme technologique
adaptée à ce domaine de l’électronique il a très tôt offert aux techniciens en
électronique de la France entière une formation spécialisée en hyperfréquences
à Bac +3. Ces formations ont contribué à former de nombreux techniciens de la
DGA et des entreprises du domaine de l’aéronautique et de l’électronique.
La plate-forme matérielle décrite en annexe montre l’investissement permanent de l’établissement pour être en adéquation avec l’évolution technologique. A travers les formations classiques (DUT, licence pro) et de nombreuses
activités de formation continue, les enseignants ont acquis un savoir-faire dans
l’enseignement à un public de techniciens de ces techniques hyperfréquences
réputées difficiles d’accès. Ces formations ont permis de tisser un important réseau d’entreprises et de laboratoires travaillant dans le domaine, à travers les
stages, l’apprentissage, les projets d’étudiants et la participation de conférenciers.
L’offre de formation en mesures Hyperfréquences de l’établissement se
décline à plusieurs niveaux d’étude :
Au sein du Département GEII :
•
DUT GEII ( Bac + 2).
•
Licence Professionnelle « Mesures hyperfréquences et radiocommunications ».
•
Formations continues.
Au sein de l’U.F.R. S.I.T.E.C. :
• Master 1 professionnel ( Bac + 4) créé en 2005, Mention : Sciences Pour
l’Ingénieur ; Spécialité : Electronique embarquée et Système de communication.
• Master 2 professionnel ( Bac + 5), créé en 2005, Mention : Sciences
Pour l’Ingénieur ; Spécialité : Electronique embarquée et Système de communication).
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Évolution de l’enseignement des radiocommunications dans les formations.
Au cours des dernières années, l’enseignement dans le domaine des mesures de rayonnement s’est densifié. Il s’inscrit dans l’illustration des cours :
• Antennes (Conception et recette d’antennes diverses).
• Propagation (Équation RADAR).
• Communications numériques (Statistique de canal de propagation, effet
multi-trajet).
• Caractérisation de Capteurs RFID.
• CEM (Mesure de niveaux de champs rayonnés par des antennes GSM) .
De plus, les sujets de projets tutorés ont évolué dans leur mise en œuvre. Ils
portent sur la compréhension et la mise en œuvre de systèmes proches du domaine industriel, tels que la réalisation du projet Radar Doppler en D.U.T. ou le
système communication WLAN en licence Professionnelle « Mesure Hyperfréquences et Radiocommunications ».
Actuellement, tout l’enseignement du rayonnement (Propagation hertzienne, Antennes,..) est abordé à l’aide de logiciels de simulation et reste abstrait. Ainsi lors des cours ou de projets la partie mesure de rayonnement n’a jamais pu être réalisée. Or l’intérêt des étudiants pour la mesure d’antennes est
important (ce sont des éléments qu’ils côtoient dans leur quotidien). Ne pas réaliser cette partie du travail laisse le projet non finalisé.
La réputation de l’établissement dans l’enseignement des hyperfréquences
s'appuie d’une part sur le souci de l’équipe pédagogique d’aborder l’enseignement des hyperfréquences par la mesure et d’autre part sa volonté constante de
faire évoluer la plate-forme technologique pour être en phase avec les besoins
industriels. Or la mesure d’antennes est un secteur porteur ( Cf actualité sur le
Grenelle de l’environnement, et l'importante représentation au dernier salon hyperfréquences).
Taux d’utilisation prévisible de la chambre anéchoïde :
Les utilisateurs sont des étudiants de premier cycle universitaire : DUT
GEII et Licence Professionnel, et des étudiants du second et troisième cycle
(UFR SITEC). La charge prévisible de cette salle par étudiant peut être précisée
de la manière suivante :
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• DUT GEII :
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(8x6 + 50 = 106 h ) comprenant :
• 1 TP antennes: mesure du diagramme de rayonnement.
• 1 TP CEM.
• Projet tutoré.
• Modules complémentaires : antennes.
Licence Professionelle M.H.R. : (16 h * 2 + 100 = 132 h) comprenant :
• 1 TP Antennes méthode de mesure
• 1 TP Antennes mesure d'antenne dipôle, mesure
d'antenne imprimées
• 1 TP CEM,
• 1 TP Propagation et communication numérique
• Projet tutoré
Licence Professionelle PI :(4x2= 8h) comprenant :
• 1TP Propagation et caractérisation de capteur RFID.
Master 1 : (4x2 = 8h).
• 1 TP antennes: mesure du diagramme de rayonnement
Master 2 : (8x2 = 16h)
• 1 TP antennes.
• 1 TP CEM.
Formation Continue : (4 h)
• 1 TP Antennes méthode de mesure.
Tous les programmes d’enseignement des formations (DUT, Licence Professionelle, Master) ont évolué en mettant en avant l’autonomie des étudiants
dans les projets tutorés. L’équipement proposé pour cette chambre de mesure
d’antenne a été pensé pour un accès facile aux étudiants pour qu’ils puissent effectuer des mesures seuls.
Il faut noter que ce moyen de mesure ne peut et ne doit accueillir qu'un
seul binôme à la fois. Ainsi la charge de la salle est à multiplier par le nombre
de binômes.
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A partir de cette constatation, la charge d’occupation de cette
salle est de 300 heures, soit 40 jours pleins.
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Les contraintes et choix techniques
L'antenne source
Il est intéressant de ne pas répartir la puissance de la source dans un angle
trop large. L'utilisation d'une source modérément directive a pour avantage :
• d'augmenter la sensibilité de mesure dans les lobes latéraux des antennes
par l'augmentation de la puissance reçue par l'antenne cible (à puissance émise
par la source constante).
• de diminuer les échos multiples sur les parois pour une même qualité
d'absorbants, et donc d'améliorer la justesse de mesure.
Cela suppose :
• de réaliser des antennes de source de dimension égale à plusieurs longueurs d'onde : par exemple un cornet d'embouchure 45cm x35cm et de longueur 50 cm, éclaire à 6 mètres une antenne cible par une onde dont le lobe
principal couvre une surface de l'ordre de 1.2mx1.2m à mi-puissance : Voir le
graphique de calcul des cornets, ci-dessous Figure 1.
• d'avoir une source spécifique par bande de fréquences, et de pouvoir modifier la distance entre la source et l'antenne (antenne source mobile) selon la
bande de fréquences. En effet : la condition de distance d de « champ lointain »
s'écrit :
d >2D2/ λ
avec D dimension la plus grande de l'antenne et λ longueur d'onde. Elle conditionne la planéité de l'onde reçue (Figure 2) de sorte que l'écart de phase entre
le centre et les bords du champ de mesure reste inférieur à λ/8. Une distance
minimale de 1,5 mètre en bande X (10GHz) est donc nécessaire pour des antennes source de 15 cm maximum, et ne peut être trop augmentée sans conduire
à une perte de puissance sur l'antenne de mesure. A la fréquence de 2.4GHz, envisagée pour les applications pédagogiques, la distance minimale est de 6
mètres selon cette règle, pour une antenne de 60cm.
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Figure 1 : calcul d'un cornet source.
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Figure 2 : condition de champ lointain
Le positionneur (support orientable d'antenne réceptrice).
Un positionneur minimaliste construit par Gilles Holtzmer existe actuellement, (mobile dans le seul plan horizontal). Bien que rendant service, il ne permet pas de porter des antennes lourdes (quelques centaines de grammes au plus)
et n'est pas commandable par un calculateur. Un ensemble de deux moteurs pas
à pas informatisable a déjà été acheté car la fabrication d'un positionneur
contrôlable par calculateur avait déjà été envisagée dès 2007. Les commandes
de bas niveau sont faites (on envoie des caractères ascii par une liaison série). Il
reste bien sûr à construire la partie mécanique qui serait animée par ces moteurs
(travail important). Une interface utilisateur reste à faire, permettant la commande de l'orientation des antennes sous test, la commande du générateur de
source et l'acquisition des résultats de mesure. (Projet d'étudiants ?). Presque
tout reste donc à faire pour ce point, mais est réalisable moyennant du temps et
un investissement financier en matière première et main d'oeuvre non encore
évalué.
Les absorbants
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Figure 3 : efficacité des absorbants en fonction des dimensions.
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Les absorbants placés sur les murs et le plafond (chambre semi-anéchoïde) ou sol inclus (chambre anéchoïde) sont constitués de pyramides absorbantes dont les dimensions (et l'atténuation) dépendent de la longueur d'onde (cf
tableau ci-dessous figure 3 ). On peut espérer obtenir obtenir -35dB à 2.4 GHz,
avec des pyramides de hauteur 20cm, sous incidence normale. L'atténuation est
supérieure aux fréquences plus élevées. Sous incidence oblique, l'atténuation diminue fortement. La disposition et la hauteur des pointes absorbantes doit être
optimisée pour ménager l'espace résiduel et le coût d'installation. Cette optimisation est actuellement proposée par les distributeurs de matériaux absorbants,
sachant qu'on doit particulièrement éviter les réflexions spéculaires sur les parois latérales et les réflexions normales à l'arrière de la cible. Il est à noter que
l'utilisation d'un analyseur de réseau muni d'une extension dans le domaine
temps est envisagée, de manière à s'affranchir autant que possible des échos parasites par une technique de fenêtrage temporel.
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Les dimensions de la chambre de mesure
figure 4 : la salle anéchoïde, « vision de l'artiste. »
La mesure en champ lointain est la seule technique abordable dans le
cadre pédagogique de l'I.U.T.. La dimension de la chambre est directement liée
à cette contrainte (Figure 2). Les absorbants occupent d'une dizaine à une quarantaine de centimètres sur chacune des parois. L'encombrement du positionneur et de l'appareillage de mesure du côté de l'antenne sous test et de l'instrumentation et antenne de source, nécessitent de prévoir un mètre supplémentaire
à chaque extrémité, ce qui constitue un strict minimum.
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A 2.4GHz, pour une distance de 6 mètres (donc une salle de 8 mètres environ),
on peut mesurer une antenne de dimension maximale de l'ordre de 60 cm. C'est
suffisant pour un petit réseau de patches et probablement pour une antenne à
fentes comportant 8 à 10 fentes (Figure 4 ).=
4-
Le coût financier
Deux devis ont pour l'instant été proposés (Emerson and Cumming, EuroMC), un troisième est attendu (Siepel). Ils sont joints en annexe.
le budget total est de l'ordre de 30000€, selon les options.
Le distributeur S.F.C. Acofab n'a pas souhaité donner suite.
5-
Conclusion
Il s'agit d'un projet demandant un investissement financier et humain important et qui nécessitera des réaménagements de locaux à l'intérieur de l'établissement. Cependant, il était cependant déjà en gestation il y a plus de 10 ans,
avant la construction des nouveaux bâtiments.
Un investissement nécessaire...
Les développements récents dans le domaine des antennes embrassent
une étendue considérable : sans être exhaustif, quelques exemples,
• antennes multibandes (fractales, planar inverted F antennas ou PIFAs).
• antennes en réseaux passifs ou actifs (adaptatives)
• antennes très large bande (cornets corrugués)
• antennes à géométrie conformable (avions, corps humain..)
C'est un domaine en plein essor actuellement.
L'I.U.T. possède déjà un équipement matériel et logiciel de qualité couvrant la plus grande partie de ces besoins. Cependant, il manque le moyen d'étudier la manière dont les antennes étudiées rayonnent dans l'espace la puissance
qui leur est fournie (mesure des diagrammes de rayonnement). Il devient donc
nécessaire d’investir dans un moyen de mesures d’antennes si nous souhaitons
rester crédibles vis-à-vis nos partenaires industriels qui nous font confiance en
nous prenant des apprentis et en nous sollicitant pour de la formation continue.
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D’après l’investigation effectuée, nous demandons donc :
1 ) La mise à disposition d’un local d’une dimension de ( 8 m sur 4m)
2) d’un budget de 29 000 € (sans la mise en œuvre ) correspondant à l’achat
et l’installation des absorbants pour la réalisation d’une chambre.
6-
Annexes :
Annexe 1 : calcul d'un cornet à 2,4 GHz et répartition du champ émis.
Géométrie de l'antenne de source : exemple à 2.4 GHz (dimensions maxi-
males)
Le choix d'un cornet pyramidal est une solution simple l'on souhaite
contrôler avec précision le gain, la directivité, et la polarisation de l'antenne de
source. Le dimensionnement de l'antenne de source est, en effet soumis à plusieurs contraintes :
• envoyer suffisamment de puissance sur l'antenne sous test pour pouvoir
observer les lobes secondaires, ce qui oblige à donner du gain dans la direction
de l'antenne sous test.
• présenter dans le plan de mesure une onde suffisamment « plane » ce qui
conditionne la précision de mesure.
• éviter les réflexions spéculaires sur les parois de la chambre, réflexions
qui s'additionneraient au signal de mesure.
Les deux premières conditions sont assez contradictoires, car la concentration de la puissance dans un angle faible déforme les plans d'onde. Un compromis est donc nécessaire entre la puissance reçue et la planéité de l'onde au
niveau de la zone de mesure.
Une première approche de calcul du cornet, consiste à utiliser le diagramme de la Figure 1. Ce diagramme donne une étendue sensiblement égale
au champ selon les deux axes (tache « circulaire ») et a été vérifié expérimentalement, au moins en ce qui concerne l'étendue du faisceau à -3dB. Par ailleurs,
la longueur du cornet L est optimale. Les résultats coïncident assez bien avec
ceux de la Référence 2.
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Le point de départ : en utilisant la relation de « champ lointain », on a vu
qu'une antenne sous test de 60cm, nécessite un recul de 6 mètres. Si l'on essaie
de répartir la puissance à -3dB sur la totalité du plan de mesure (tache d'environ
3m de diamètre), on aboutit à utiliser un cornet de gain 16dB, de dimensions :
a/λ=2.8, b/λ=2.3, L/λ=2.6
L'ouverture totale à -3dB est ainsi de 27 degrés.
Quelle est alors la « qualité » de l'onde ainsi produite dans le plan de mesure?
La condition de champ lointain suppose une source omnidirectionnelle et
donc un champ à répartition sphérique, dont on prélève une petite partie supposée alors « plane ». Le cornet n'est pas du tout une source omnidirectionnelle,
La répartition du champ est en sinus cardinal dans le plan E, et en sinus cardinal
modifié dans le plan H (lobes secondaires atténués). Cette configuration du
champ limite les réflexions spéculaires sur les parois, et ménage une « zone
tranquille » de diamètre 60cm (zone garantissant aussi un écart de phase de
λ/8). Cette « planéité » garantit une mesure de bonne qualité pour des antennes
de dimension inférieure ou égale à 60cm environ, soit 5λ à 2.4GHz.
Quelle sera la puissance reçue par l'appareil de mesure?
Le calcul classique (hors désadaptations), de la puissance reçue Pr en
fonction de la puissance de source Ps, fait intervenir les gains des antennes Gs
pour la source, Gr pour l'antenne sous test, et la distance entre elles : d
Pr= Ps
Gs×Gr×2
4  d 2
Avec un générateur de
+13dBm, on doit capter à 6m à
la fréquence 2.4GHz une puissance de -27 dBm sur le récepteur, l'antenne à mesurer étant supposée isotrope. Cette puissance devrait être suffisante pour mesurer facilement des minima entre lobes secondaires d'environ -40 dB sous la réception isotrope, avec un analyseur de spectre (seuil environ à -100 dBm) ou
même avec un mesureur de puissance (seuil à environ -60 dBm).
Annexe 2 : Plate-forme technologique
La formation aux hyperfréquences bénéficie de l’accès à la plate-forme
technologique du P.S.T. de Ville d’Avray qui comporte entre autres à ce jour :
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Bancs de mesure hyperfréquence
Générateurs 100kHz,1 GHz : - Hewlett Packard 8648 A (x3) - Hewlett Packard
8656 A (x2).
Analyseurs de réseaux :
- Hewlett Packard 8753 (x2)- Anritsu 37325A
40 MHz, 13GHz (x1)- Agilent E5070 300kHz,3GHz (x1)
Analyseurs de spectre :
- Hewlett Packard 8590 100kHz 1,5GHz (x5) Advantest R3261A 100Hz,2,6GHz (x1). Rhode&Schwarz FSP3 9kHz,3 GHz (x)2
Mesureur de facteur de bruit : EATON 2075 (x1)
Banc de mesure en radiocommunications numériques (3GHz)
Analyseur de modulations vectoriel :
Générateur de signaux RF :
Générateur de signaux bande de base:
Rhode & Schwarz FSIQ3 (x1)
Rhode&Schwarz SMIQ (x1)
Rhode&Schwarz AMIQ (x1)
Matériel et Logiciels:
Atelier de réalisation de circuits imprimés.
Outils de CAO/ simulation : MicroWave Office1, Matlab1, Nec1, WinIQsim2,
SimPLL2.
Annexe 3 : références bibliographiques
Référence 1 : G.R. Jessop, VHF, UHF : manual of the Radio Society of Great
Britain 4th edition. 1983.
Référence 2 : Goudet, Chavance : ondes centimétriques Ed Chiron 1955.
Référence 3 : Eyraud, Grange, Ohanessian Théorie et Technique des Antennes,
Vuibert.
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propositions de prix
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